馮 建 史小濤 許 峰 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

氧化鋅避雷器（MOA）具有保護特性好、通流量大、結(jié)構(gòu)簡單可靠等優(yōu)點，已逐步取代了傳統(tǒng)碳化硅避雷器，成為電力系統(tǒng)中廣泛使用的重要過電壓保護設(shè)備。MOA由氧化鋅壓敏電阻串聯(lián)而成，正常工作電壓下，壓敏電阻值很大，相當(dāng)于絕緣狀態(tài)。但在沖擊電壓作用下，壓敏電阻呈低阻狀態(tài)，且高電壓撤銷后，可恢復(fù)高阻狀態(tài)。由于MOA結(jié)構(gòu)上不再串有間隙，在無雷電過電壓時也會有電流流過閥片，長期直接承受工頻電壓會使閥片產(chǎn)生老化現(xiàn)象，而內(nèi)部受潮、表面污穢、熱擊穿等也會影響其性能。為保證MOA的安全運行，必須對其進行定期的檢測[1-2]。目前，國內(nèi)外廠家研制出的各種型號的MOA測試儀已在電力系統(tǒng)中大量使用，為保證MOA的預(yù)防性試驗的可靠性，這些儀器也必須定期進行校準(zhǔn)。迄今為止，國家還未出臺對應(yīng)于該儀器的校準(zhǔn)規(guī)范，基于阻容網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)方法具有簡單直觀的優(yōu)點，已為國內(nèi)各校準(zhǔn)計量機構(gòu)普遍采用。

1 傳統(tǒng)阻容網(wǎng)絡(luò)方法

1.1 阻容網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)原理

MOA的閥片等效電路如圖1（a）所示，正常運行時，非線性電阻R很大，流過MOA的電流主要為容性電流IC，阻性電流IR只占很小一部分。當(dāng)閥片因老化、受潮等導(dǎo)致劣化時，非線性電阻R將明顯減小，MOA的阻性泄漏電流IR急劇增大，全泄漏電流IX也相應(yīng)增大[3-4]。圖1（b）為MOA的全泄漏電流、阻性泄漏電流及容性泄漏電流之間的向量關(guān)系。通過檢測MOA的泄漏電流可以了解其性能狀況，所以測試儀通常具有測量參考電壓、全電流、阻性電流、容性電流、電壓電流相位角等功能，電流的測量范圍一般為0～20 mA，最大允許誤差為±2%。

目前，國內(nèi)校準(zhǔn)機構(gòu)主要采用傳統(tǒng)的阻容網(wǎng)絡(luò)法對上述MOA測試儀的參數(shù)進行校準(zhǔn)[3,5-6]，其原理如圖2(a)所示?？梢钥闯?，在工頻參比電壓U激勵下，該方法通過調(diào)節(jié)阻容網(wǎng)絡(luò)的配置，產(chǎn)生校準(zhǔn)所需的電流信號，將被校MOA測試儀的阻性泄漏電流、容性泄漏電流、全電流的測量結(jié)果分別與標(biāo)準(zhǔn)電流表A1、A2、A3的測量值比較，即可對MOA測試儀的電流測量功能進行校準(zhǔn)。

現(xiàn)實中的電阻器、電容器并非理想元器件。在交流電路中，電阻器的時間常數(shù)并非為零，電容器也存在一定的損耗因數(shù)。而且，受元器件生產(chǎn)廠家和國內(nèi)檢測機構(gòu)能力的限制，通常校準(zhǔn)裝置中所使用的電阻箱、電容箱各點的時間常數(shù)及損耗因數(shù)未經(jīng)測量，這會給MOA測試儀毫安級小電流信號的校準(zhǔn)帶來一定的影響。在不考慮被測儀器和電流表輸入感抗的情況下，阻容校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖如圖2(b)所示。

圖1 氧化性避雷器

圖2 阻容網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)

1.2 電阻支路

對于用集中參數(shù)等效的電阻支路，由于殘余電感LR、分布電容CR的影響，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電流表A1的電流與參考電壓相位已不相同，下文分析電阻器角差的影響。

電阻支路的阻抗ZR為

考慮到工頻電壓下，ω2LRCR<<1及(ωCRR)2<<1，可得

其容性電流分量 IA1′大小為

工頻條件下，當(dāng)參考電壓U=100 V時，容性電流分量IA1′隨電阻R及其時間常數(shù)τ的變化曲線如圖3所示，可見，電阻的時間常數(shù)τ增大時，容性電流也相應(yīng)增大。以10 kΩ電阻為例，阻性電流的理論值應(yīng)為10 mA。若電阻時間常數(shù)為50×10-6s，容性電流分量將達到0.15 mA。此時，若以電流表A1的讀數(shù)作為阻性電流的參考值，將帶來1.5%的誤差。

圖3 容性電流分量隨電阻器時間常數(shù)變化曲線

1.3 電容支路

如圖2（b）所示，忽略引線的分布電容等次要因素，實際電容器C存在并聯(lián)等效電阻RC。該支路的電流I2為

則阻性電流分量 IA2′的大小為

對于并聯(lián)等效電路，電容器的損耗因數(shù)為

圖4所示為參考電壓U=100 V時，阻性電流分量IA2′隨電容值及其損耗因數(shù)變化曲線。對于500 nF的電容，容性電流的理論值為15.708 mA。當(dāng)其損耗因數(shù)為500×10-5時，將會產(chǎn)生0.08 mA左右的阻性電流分量。此時，以電流表A2的讀數(shù)作為容性電流的參考值會存在0.5%左右的誤差，對校準(zhǔn)裝置而言也是偏大的。

圖4 阻性電流分量隨電容器損耗因數(shù)變化曲線

另外，對于MOA測試儀的電壓電流相位角這一重要測量功能，傳統(tǒng)阻容網(wǎng)絡(luò)并不能直接進行校準(zhǔn)。而且，電路中的標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容受環(huán)境條件影響較大。因此，傳統(tǒng)阻容網(wǎng)絡(luò)方法的校準(zhǔn)結(jié)果存在較大誤差。

2 相位差法探討

為克服上述傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法的不足，本文依據(jù)阻性電流、容性電流的定義，提出了一種新的校準(zhǔn)方法：結(jié)構(gòu)上保持阻容網(wǎng)絡(luò)電路不變，測量流過標(biāo)準(zhǔn)電流表A3的電流與參考電壓U之間的相位差，根據(jù)圖1(b)所示向量關(guān)系，通過計算即可得到阻性電流和容性電流的參考值，校準(zhǔn)原理如圖5所示。該校準(zhǔn)方法更符合MOA測試儀的設(shè)計原理，可使電流的阻性和容性分量校準(zhǔn)值更為準(zhǔn)確，而且在不改變原裝置整體結(jié)構(gòu)的前提下，解決了傳統(tǒng)方法中相位角無法校準(zhǔn)的問題，此外，校準(zhǔn)結(jié)果不受環(huán)境條件的影響。

圖5 基于阻容網(wǎng)絡(luò)的相位差校準(zhǔn)原理

由于阻性電流、容性電流的參考值是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電流表A3的測量值和電壓電流間的相位角計算而得，相位差的測量成為該校準(zhǔn)方法的關(guān)鍵。目前，除部分準(zhǔn)確度較高的功率測量儀外，還沒有符合校準(zhǔn)要求的專用相位測量儀。本文通過數(shù)字采樣的方法進行相位測量[7-8]（如圖5所示），對流過標(biāo)準(zhǔn)電流表A3的全電流信號和參考電壓信號進行采樣，兩個采樣器共用同一個時鐘信號，可保證采樣觸發(fā)時間的一致性。利用傅里葉算法對采樣值進行分析，計算出電壓和電流信號間的相位角。設(shè)電壓信號U(t)、全泄漏電流信號I(t)分別為

式中：U0、I0分別為信號的直流分量；CU、CI分別為信號正弦分量的幅值；ω為角頻率；U、I分別為電壓和電流信號的相位。式（9）也可寫成

于是有

同理可得

電流與參考電壓間的相位差Δ 為

若每周期采樣n個數(shù)據(jù)，對于電壓信號，考慮到三角函數(shù)的正交性，利用梯形積分法可求得DFT的正弦、余弦分量分別為

將式（15）代入式（12），可求得U，同樣的方法可求得I，再根據(jù)式（14），即可求出電壓電流信號的相位差。

本文利用該采樣方法對一標(biāo)準(zhǔn)信號源輸出信號的相角進行了測量，結(jié)果如表1所示，與中國計量院的測量結(jié)果相比可知，該數(shù)字采樣方法具有較高的準(zhǔn)確度，可用于氧化鋅避雷器測試儀泄漏電流的校準(zhǔn)。

表1 數(shù)字采樣方法測量角度

3 結(jié)語

本文對氧化鋅避雷器測試儀傳統(tǒng)阻容網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)電路進行分析，指出電阻器的時間常數(shù)可對阻性電流的測量準(zhǔn)確度帶來10-2量級的影響，而電容器的損耗因數(shù)對容性電流的測量準(zhǔn)確度的影響也可達10-3量級，使校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。依據(jù)阻性電流、容性電流的定義，提出了基于相位角測量的新的校準(zhǔn)方法，對其關(guān)鍵參數(shù)相位差采用數(shù)字采樣測量，通過實驗驗證了該方法具有較高的測量準(zhǔn)確度，可用于氧化鋅避雷器測試儀的校準(zhǔn)。

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